دراسة آلية تضرر بطانة بوابة الدخول العميقة المتأثرة بالانفجارات الدورية

لماذا تحتاج أنفاق المناجم إلى حماية إضافية

مع وصول مناجم الفحم إلى أعماق أكبر تحت السطح، تصبح الأنفاق التي تربط الفتحات الرأسية بالممرات الأفقية شرايين حيوية للهواء والأشخاص والمعدات. تُبطن هذه التقاطعات، المسماة بوابات الدخول، بطبقات سميكة من الخرسانة للحفاظ على ثبات الصخور المحيطة. ومع ذلك، فإن التفجيرات نفسها المستخدمة لحفر الأنفاق القريبة يمكن أن تضعف هذه البطانة تدريجياً، مما يزيد خطر التشقق وعدم الاستقرار طويل الأمد. تستعرض هذه الدراسة كيف تؤثر التفجيرات المتكررة على بطانات بوابات الدخول العميقة وكيف يمكن لاستخدام خرسانة أكثر متانة أن يحافظ على أمان هذه "القيود" تحت الأرض مع مرور الوقت.

المفترق التحتي المعرض للخطر

ركز الباحثون على منجم فحم عميق في شرق الصين، حيث يربط ممر هوائي جديد الأنفاق الأفقية من خلال بوابة دخول كبيرة ومعقدة. وبسبب حجمها وشكلها المنحني وكثرة الفتحات المتقاطعة، تركز هذه التقاطعات الإجهاد وتكون صعبة الدعامة. لا تنطبق آلات حفر الأنفاق هنا عملياً، لذا يعتمد المهندسون على الحفر والتفجير في حفر الممرات المحيطة. بعد بنائها، يجب أن تتحمل بطانة الخرسانة حول بوابة الدخول كل من الضغط المستمر للصخور العميقة والصدمات المتكررة لموجات التفجير القريبة. إن فهم أين وكيف يبدأ الضرر في هذه البطانة أمر أساسي لتصميم خطط حفر أكثر أماناً واختيار مواد أفضل.

محاكاة التفجيرات بدلاً من تكسير الصخر

بدلاً من إجراء اختبارات ميدانية خطيرة بالحجم الكامل تحت الأرض، بنى الفريق نموذجاً حاسوبياً ثلاثي الأبعاد مفصلاً للبوابة، وصخور الطين المحيطة، والشحنات المتفجرة. باستخدام برنامج المحاكاة LS-DYNA، أعادوا خلق كل من الضغط المستمر للصخور العميقة والتحميل الديناميكي لسلسلة من التفجيرات في الأنفاق الأفقية على جانبي البئر. قارنوا بين مادتين للبطانة: خرسانة تقليدية عالية القوة وخرسانة مسلحة بالألياف الفولاذية، وهي مشابهة لكن تحتوي أليافاً معدنية قصيرة تساعد على ربط ووقف انتشار الشقوق. من خلال تطبيق مستويات مختلفة من الضغط المحيط وتغيير شحنة التفجير، تتبعوا الإجهادات وسرعات الاهتزاز وتراكم الضرر التدريجي في البطانة.

أين تتكدس الإجهادات وتبدأ الشقوق

أظهرت المحاكاة أنه تحت تأثير ضغط الصخور الساكن وحده، فإن أضعف النقاط في البطانة ليست حيث تكون مضغوطة بأقصى درجة، بل حيث تتعرض للشَد—خاصة على طول الزوايا السفلية والجدران الجانبية للنفق الأفقي. مع زيادة الضغط المحيط، تبقى الإجهادات الانضغاطية العامة بعيداً عن حد سحق الخرسانة، لكن الإجهادات الشدية تقترب من جزء كبير من قدرتها. عند إضافة التفجير، ظهر حد أدنى واضح لشحنة المتفجرات، أو عتبة، يتجاوزها يبدأ الضرر بالظهور عند قوس القمة حيث يلتقي البئر بالممر. تنخفض هذه العتبة مع ارتفاع ضغط الصخور المحيطة، وهي دائماً أعلى للخرسانة المسلحة بالألياف من الخرسانة عالية القوة العادية، مما يدل على أن الألياف تجعل البطانة أقل حساسية لصدمات التفجير.

كيف تبلى التفجيرات المتكررة البطانة

من خلال نمذجة التفجيرات الدورية بينما يتقدم واجهة النفق خطوة بخطوة، تتبع الباحثون كيفية تطور الاهتزاز والضرر مع الزمن. سجلت أكبر سرعات للجسيمات في مناطق القوس للنفق الأفقي، وكانت التفجيرات الأولى—حوالي الأربع الأولى—هي المسؤولة عن أقوى الهزات. العناصر التي تشققت أولاً تراكمت عليها أكبر قدر من الضرر، خاصة على الجانب من بوابة الدخول المواجه للتفجير القوي الأولي. أنتجت سلسلة من التفجيرات "قوية أولاً، ثم ضعيفة" على جانب واحد ضرراً تراكمياً أكبر من "ضعيفة أولاً، ثم قوية" على الجانب المقابل، لأن الشقوق الأولية جعلت الصدمات اللاحقة أكثر فعالية في تمديد الضرر. كشفت المحاكاة أيضاً عن مسافة أمان: بمجرد أن ابتعدت واجهة التفجير المتقدمة بما فيه الكفاية—حوالي 26 متراً للبطانة الخرسانية العادية و18.2 متراً للبطانة المسلحة بالألياف—لم تعد التفجيرات الإضافية تزيد من الضرر.

لماذا تهم الخرسانة الأقوى والتفجير الحذر

بشكل عام، وجدت الدراسة أن بطانة الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية عانت ضرراً طويل الأمد أقل بكثير من الخرسانة التقليدية عالية القوة. بعد دورتين كاملتين من التفجير، كان إجمالي الضرر في البطانة المسلحة بالألياف حوالي خُمس عشر الضرر في البطانة العادية. بالنسبة لمصممي المناجم ومهندسي السلامة، يعني هذا أمرين. أولاً، اختيار مواد ذات مقاومة أفضل لنمو الشقوق—لا سيما أداء شد أعلى—يمكن أن يطيل بشكل كبير عمر وموثوقية بوابات الدخول العميقة. ثانياً، إيلاء اهتمام خاص للتفجيرات الأولى القريبة من هذه المنشآت، والحد من شحنتها، يمكن أن يقلل بدرجة كبيرة الضرر التراكمي الذي يتراكم مع تقدم الحفر. معاً، توفر المواد الأذكى واستراتيجيات التفجير الأكثر حذراً مساراً عملياً نحو بنية تحتية لتعدين عميق أكثر أماناً.

الاستشهاد: Li, X., Yao, Z., Liu, X. et al. Study on the damage mechanism of deep ingate lining structure disturbed by cyclic blasting. Sci Rep 16, 8171 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39273-1

الكلمات المفتاحية: أنفاق المناجم العميقة, اهتزازات التفجير, تلف بطانة الخرسانة, الخرسانة المسلحة بالألياف الفولاذية, سلامة الحفر تحت الأرض